畢業(yè)論文-海洋測量絞車設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 次</b></p><p><b>　　1 引言2</b></p><p>　　1.1 絞車概述3</p><p>　　1.2 海洋測量專用的液壓絞車5</p><p>　　1.3論述設(shè)計(jì)問題8</p><p>　　1.4本課題的

2、研究內(nèi)容8</p><p>　　1.5 Unigraphics NX3.08</p><p>　　2 絞車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p><b>　　2.1設(shè)備組成9</b></p><p><b>　　2.2技術(shù)條件9</b></p><p>　　2.3鋼絲繩直徑的

3、計(jì)算與選擇10</p><p>　　2.4絞車主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算分析15</p><p>　　2.4.2絞車排繩器設(shè)計(jì)17</p><p>　　2.4.3絞車鋼絲繩安全系數(shù)校核18</p><p>　　2.5卷筒結(jié)構(gòu)的選擇18</p><p>　　2.6尺寸的確定19</p><p>

4、　　2.7傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定19</p><p>　　2.8各部分材料的選擇19</p><p>　　3 絞車的虛擬設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1 虛擬設(shè)計(jì)簡介19</p><p>　　3.2絞車的虛擬設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.2.1 絞車虛擬設(shè)計(jì)的建模21</p><p>

5、;　　3.3 虛擬裝配30</p><p>　　3.3.1 虛擬裝配設(shè)計(jì)的過程31</p><p>　　3.3.2 絞車的虛擬裝配設(shè)計(jì)31</p><p>　　3.5 本章小結(jié)37</p><p>　　4 運(yùn)動(dòng)仿真分析38</p><p>　　4.1 UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊介紹38</p><

6、;p>　　4.2 UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊的基本概念38</p><p>　　4.2.1 機(jī)構(gòu)的組成38</p><p>　　4.2.2 機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算39</p><p>　　4.3 絞車的運(yùn)動(dòng)仿真分析39</p><p>　　4.4 小結(jié)44</p><p><b>　　5. 總結(jié)44&l

7、t;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　“21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)”，海洋領(lǐng)域的爭奪出現(xiàn)控制海上交通線、爭奪海洋資源、海洋權(quán)益爭端的多元化趨勢。認(rèn)識(shí)、開發(fā)、利用海洋的關(guān)鍵是海洋科技的發(fā)展。海洋科技是當(dāng)今世界三大尖端科技之一，海洋高

8、科技的發(fā)展已成為體現(xiàn)一個(gè)國家綜合國力和當(dāng)代科技發(fā)展水平的重要特征。如今，世界各國在海洋上的競爭比歷史上任何時(shí)期都要激烈，而這個(gè)競爭實(shí)質(zhì)上就是高新技術(shù)的競爭、比拼。美國、日本、俄羅斯、法國、英國等許多國家都把海洋開發(fā)定為基本國策，競相制定海洋科技開發(fā)規(guī)劃、戰(zhàn)略計(jì)劃，優(yōu)先發(fā)展深海高新技術(shù)，以加快本國海洋開發(fā)的進(jìn)程、力度。</p><p>　　20世紀(jì)50年代以后，人類開發(fā)利用海洋的步伐加快，海洋產(chǎn)業(yè)逐步增多，目前海洋

9、產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為包括20多個(gè)產(chǎn)業(yè)門類的產(chǎn)業(yè)群。海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)的重要新增長點(diǎn)。在油氣的勘探有調(diào)查方面，全球獲得的重大油氣發(fā)現(xiàn)中，有一半來自海上，特別是深水區(qū)域。當(dāng)水深在500米~1500米時(shí)，世界油氣田的平均儲(chǔ)量規(guī)模隨水深而大幅增加，深水油氣田的平均產(chǎn)量規(guī)模明顯高于淺水油氣田。深水區(qū)域以其豐富的資源潛力，吸引了眾多石油公司的“眼球”，具有雄厚資金、技術(shù)實(shí)力以及管理經(jīng)驗(yàn)的大型跨國石油公司成為深水勘探開發(fā)的主力軍。目前，BP、?？松梨?/p>

10、、殼牌等全球十大石油公司擁有2003~2007年世界深水油氣開發(fā)產(chǎn)量的73%。BP預(yù)計(jì)，到2012年，BP將有一半的油田發(fā)展項(xiàng)目來自深水領(lǐng)域，其作業(yè)深度將達(dá)到2500米~3000米，甚至更深,勘探深度進(jìn)入深海。</p><p>　　我國深?？碧郊夹g(shù)發(fā)展迅速差距明顯，進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)一直呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，對石油天然氣的需求強(qiáng)勁，開發(fā)海上石油天然氣資源，更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已經(jīng)成為國家石油公司的重要責(zé)任

11、。但與此同時(shí)，技術(shù)生產(chǎn)要素的缺乏，一定程度上制約了國家石油公司進(jìn)軍海洋油氣資源領(lǐng)域的步伐。對于海洋勘探開發(fā)技術(shù)的研發(fā)工作方向，應(yīng)本著立足國內(nèi)、面向世界的原則。一是大力發(fā)展海洋油氣地質(zhì)勘探技術(shù)，完善海洋油氣勘探理論；二是加快海洋地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展；四是發(fā)展深水開發(fā)工程技術(shù)。</p><p>　　借助于當(dāng)今的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在試制前進(jìn)行絞車的虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析，并根據(jù)分析的結(jié)果不斷優(yōu)化和改進(jìn)，直至設(shè)計(jì)出滿意的產(chǎn)品，不

12、僅可以大大地縮短絞車的研究開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本，而且可以保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場競爭力。</p><p>　　海洋絞車作為深海測量和勘探的重要設(shè)備，在各類海洋調(diào)查研究活動(dòng)中不可缺少的，尤其需要高性能、高可靠性的強(qiáng)功能工作絞車。各國都在海洋設(shè)備的研制于開發(fā)上投入了大量的資金和人力，絞車作為海洋研究不可缺少的重要設(shè)備更應(yīng)得到重視。本課題就是基于這樣的一種想法，以CAD/CAM/CAE集成化軟件UG為設(shè)計(jì)平

13、臺(tái)，進(jìn)行了8000米深海測量勘探用絞車的虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析（包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析），希望能為絞車設(shè)計(jì)及其它產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)人員提供一種新的設(shè)計(jì)思路,能為我國深海資源的開發(fā)與利用貢獻(xiàn)一點(diǎn)綿薄之力。</p><p><b>　　1.1 絞車概述</b></p><p>　　絞車是與滑車、轆轤相似的另一種機(jī)械，它在古代也被普遍應(yīng)用。 絞車可能起源于西

14、晉?！稌x書》載十六國后趙王石虎令人盜邯鄲趙簡王墓，因墓穴有水，故作“絞車，以牛皮囊汲之”。而從唐代開始的各種軍事著作中，對它都有詳細(xì)描述，成為軍用必備器械之一。曾公亮在《武經(jīng)總要》中描述“絞車，合大木為床，前建二叉手柱，上為絞車，下施四輪，皆極壯大，力可挽二千斤。”此外，在轆轤的基礎(chǔ)上，古代人還創(chuàng)制了另一種絞車，將一根圓軸削成同心而不同徑的兩部份，在其上繞以繩索，繩下加一滑輪，只需轉(zhuǎn)動(dòng)其軸即可將重物吊起，這種絞車又稱較差式絞車，或稱“中

15、國式絞車”，如圖1所示。絞車經(jīng)過上百年的發(fā)展絞車的結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)方式，提升能力等各個(gè)方面都發(fā)發(fā)生了巨大的變化，應(yīng)用也更加廣泛，成為人們生產(chǎn)重的重要工具！</p><p><b>　　圖1中國式絞車</b></p><p>　　絞車是指用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，又稱卷揚(yáng)機(jī)，是起重機(jī)的一種。絞車通常由三大部分構(gòu)成：工作機(jī)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)，動(dòng)力裝置和控制

16、系統(tǒng)[1]。鋼絲繩是絞車最常用的牽引和起升繩索。在經(jīng)常重載工作的情況下，為保護(hù)鋼絲繩不致亂繞壓傷，卷筒表面需車制螺旋形繩槽。牽引距離或起升高度很大時(shí)，卷筒繞繩量大，須裝有排繩機(jī)構(gòu)，使鋼絲繩能順次的多層繞上卷筒。絞車按照其工作動(dòng)力分為手動(dòng)、電動(dòng)、液壓和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)四類：</p><p>　　① 手動(dòng)絞車的手柄回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有停止器（棘輪和棘爪），可使重物保持在需要的位置。裝配或提升重物的手動(dòng)絞車還應(yīng)設(shè)置安全手柄和

17、制動(dòng)器。手動(dòng)絞車一般用在起重量小、設(shè)施條件較差或無電源的地方。手動(dòng)絞車如圖2所示。</p><p><b>　　圖2 手動(dòng)絞車</b></p><p>　?、?電動(dòng)絞車廣泛用于工作繁重和需牽引力較大的場所。單卷筒電動(dòng)絞車的電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)卷筒，電動(dòng)機(jī)與減速器輸入之間裝有制動(dòng)器。為適應(yīng)提升、牽引  、回轉(zhuǎn)等作業(yè)的需要，還有雙卷筒和多卷筒裝置的絞車。

18、電動(dòng)絞車如圖3所示。</p><p><b>　　圖3 電動(dòng)絞車</b></p><p>　?、?內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞車，在卷筒與內(nèi)燃機(jī)之間裝有離合器。當(dāng)離合器和卷筒軸上的制動(dòng)器松開后，卷筒上的繩索處于無載狀態(tài)  ，此時(shí)繩索一端可從卷筒上自由地曳出，以縮短再次提拉物件時(shí)的掛繩時(shí)間。內(nèi)燃機(jī)須在無載情況下啟動(dòng)，離合器能將卷筒與內(nèi)燃機(jī)脫開，待啟動(dòng)正常后再使離合

19、器接合而驅(qū)動(dòng)卷筒。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞車常用于戶外需經(jīng)常移動(dòng)的作業(yè)，或缺乏電源的場所?，F(xiàn)在已很少使用。</p><p>　?、?液壓絞車，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，具有輸出功率大、低速高轉(zhuǎn)矩、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，是一種集機(jī)械、液壓、電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)為一體的海洋調(diào)查裝備，安裝在海洋調(diào)查船上，用于水文等測量儀器的投放和回收。由液壓絞車、液壓吊桿和線長線速測試儀組成，它操作方便，工作可靠，是海洋調(diào)查不可缺少的裝備。如圖4所示。<

20、/p><p><b>　　圖4 水文液壓絞車</b></p><p>　　絞車應(yīng)用比較廣泛，主要應(yīng)用于建筑、礦山、石油、海洋探測等行業(yè)，主要是用來提升各種重物。海洋絞車允許配合吊臂使用。絞車也可單獨(dú)使用，也可作起重、筑路和礦井提升等機(jī)械中的組成部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用。絞車在工作時(shí)配合吊臂提升物料，經(jīng)歷提升、運(yùn)送、卸料的過程，有時(shí)正轉(zhuǎn)有時(shí)反轉(zhuǎn)。有時(shí)停

21、止，所以它是一種間歇?jiǎng)幼鞯臋C(jī)構(gòu)。本課題主要針對當(dāng)前海洋測量用液壓絞車在工作中的問題，通過解決問題設(shè)計(jì)一種全新的絞車，快速、平穩(wěn)的提升測量設(shè)備。</p><p>　　1.2 海洋測量專用的液壓絞車</p><p>　　就多數(shù)海洋調(diào)查專用絞車而言,快繩拉力不大(多在1000kg 以下),裝機(jī)功率也不大(多在30kW 以下),也沒有列入高技術(shù)產(chǎn)品之列,但到目前,用戶急需時(shí),仍從國外進(jìn)口,對國產(chǎn)絞

22、車形成很大的壓力。起初,參照國外海洋專用絞車的技術(shù)參數(shù)系列(容繩量,鋼(電) 纜直徑,負(fù)載,上升速度,凈功率,滾筒尺寸,重量等項(xiàng)目) 來設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)我們自己的水文絞車。乍看負(fù)荷不大,鋼纜不粗,速度不快,以為難度不大,結(jié)果,總是難如人愿,鮮有成功者,什么原因? 原來, 與陸用起重機(jī)不同,海洋專用絞車的起重系統(tǒng)要經(jīng)常在洋面上動(dòng)蕩不定的場合下工作,受浪涌的作用,在一個(gè)三維空間里不停地晃動(dòng)著的狀態(tài)下吊起(或投放) 被吊物;海浪,海流,海風(fēng),吊桿的

23、俯仰等作用在被吊物上的附加力,使絞車負(fù)荷即便是在一次吊升過程中都會(huì)在很大的范圍內(nèi)變化,從而形成海洋專用絞車一系列的特點(diǎn)。</p><p><b>　　圖1.2</b></p><p>　　這些按照工作環(huán)境特點(diǎn)形成的特殊要求,并不體現(xiàn)在技術(shù)參數(shù)系列表里,也常常沒有體現(xiàn)在訂貨合同里,但體現(xiàn)在操作者使用了我們設(shè)計(jì)制作的水文絞車之后的建議里,是一種“軟”參數(shù)。筆者認(rèn)為,這些要

24、求是合理的。為滿足這些要求,理應(yīng)納入海洋專用絞車的檢驗(yàn)項(xiàng)目,甚至應(yīng)當(dāng)成為驗(yàn)收準(zhǔn)則。其準(zhǔn)則內(nèi)容應(yīng)考慮為較大的負(fù)荷儲(chǔ)備;連續(xù)地?zé)o級調(diào)速;極佳的低速性能;可控的高速投放;可靠的過載保護(hù)(含誤動(dòng)作時(shí)對系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù));靈便的操作程式;高度的可靠性;高功率重量比;高效率;低噪聲;零泄漏;免維修等等</p><p><b>　　具體說明如下：</b></p><p>　　(1)

25、較大的負(fù)荷儲(chǔ)備：一次,海上風(fēng)暴襲來,要迅速起吊投放物,如若吊不起來,則又必須避風(fēng)離走,只好舍車保帥,剁鋼纜棄設(shè)備,這就是由于沒有足夠的負(fù)荷儲(chǔ)備造成的巨大損失。所以,至多以最大負(fù)荷的50 %～60 % 來設(shè)計(jì)額定負(fù)荷為宜,最高不超過65 %, 驗(yàn)收時(shí)則應(yīng)按最大負(fù)荷進(jìn)行檢驗(yàn)。液壓絞車可以做到既滿足上述要求又保持額定功率不變。</p><p>　　(2)連續(xù)地?zé)o級調(diào)速：絞車轉(zhuǎn)速從O →V max 或者相反,能不間斷地連

26、續(xù)地變化,同時(shí),起重量不受影響,功率損失不大,表現(xiàn)在系統(tǒng)不發(fā)熱。</p><p>　　(3)極佳的低速性能被吊物起吊時(shí)速度從0 開始、似動(dòng)不動(dòng)、微動(dòng)、慢動(dòng)、到低速上升,或者作相反的運(yùn)動(dòng)過程,就是說在上述靠近0 速為起點(diǎn)或終點(diǎn)的低速區(qū)段,必須是能連續(xù)地光滑地變化,而且是可控的,不得有抖動(dòng)、爬行、突跳等現(xiàn)象。所謂“舉重若輕”,“極佳的低速性能”描述的就是這個(gè)過程。對于被吊物是貴重的怕磕碰的海洋儀器,絞車有這種性能就尤

27、為必要。液壓技術(shù)滿足這個(gè)要求,過去常用的辦法是高速液壓馬達(dá)配減速器驅(qū)動(dòng)絞車滾筒,人們?yōu)榱撕喕Y(jié)構(gòu),去掉減速器,近來用低速大扭矩(LSHT) 液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)絞車滾筒,這時(shí),LSHT 馬達(dá)的低速品質(zhì)便成為決定性的因素,應(yīng)當(dāng)特別注意篩選、考察和檢驗(yàn)。</p><p>　　(4)可控的高速投放：操作者經(jīng)常沒有耐心等待用與提升相同的反向速度向海中投放,充分利用流體的阻力與水中物體運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的特點(diǎn),在到達(dá)指定深度

28、前,使投放物在水中自由下落,近似高速下降狀態(tài),但到達(dá)投放點(diǎn)必須是可知的,可控的。用常規(guī)的方法做到這一點(diǎn),有繁度,沒有難度,而且,還節(jié)能。這個(gè)功能,海洋專用絞車應(yīng)當(dāng)具備,但現(xiàn)在少有或者沒有這種功能。</p><p>　　(5)可靠的過載保護(hù)：電動(dòng)絞車的過載保護(hù),實(shí)際只保護(hù)不因超載而損壞電機(jī)。這里的過載保護(hù),是整個(gè)起重系統(tǒng)不因超載而損壞,包括不因誤動(dòng)作造成損壞的保護(hù)，保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器更為重要。。所以,應(yīng)當(dāng)從全系統(tǒng)全過程的

29、安全保護(hù)出發(fā),來設(shè)計(jì)安全措施。</p><p>　　(6)靈便的操作程式：絞車滾筒有正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和剎車停止三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而轉(zhuǎn)動(dòng)速度又必須是要可調(diào)的。人性化的操作方式，符合人們工作習(xí)慣的操作方式可以在緊急狀況下有效的控制絞車，避免錯(cuò)誤操作。</p><p>　　(7)高度的可靠性：由于工作環(huán)境是在海洋上,并且一般海洋調(diào)查時(shí)多為連續(xù)工作,所以,要求絞車在出海期間無故障,保證工作順利。再則,海況變

30、化非?？?有時(shí)工作期間,遇上惡劣海況時(shí),必須迅速將調(diào)查儀器吊回船上,這樣,就要求絞車隨時(shí)都能準(zhǔn)確無誤地工作。傳動(dòng)鏈越短,機(jī)構(gòu)越簡單,故障機(jī)率就越低,越可靠。這也是主張去掉減速器,用LSHT 液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)絞車滾筒的一個(gè)重要原因。</p><p>　　(8)高功率重量比：同樣性能和功率的絞車,重量越輕越好。所以,重量指標(biāo)常常是設(shè)計(jì)制作水平的綜合表現(xiàn),理應(yīng)列入考核的指標(biāo)。液壓傳動(dòng)最大的特點(diǎn)是功率密度高,比如液壓馬達(dá)

31、的重量只是同等功率電動(dòng)機(jī)重量的10 %～20 % ,這也是液壓絞車終將取代電動(dòng)絞車的原因之一。</p><p>　　(9) 高效率、低噪聲、零泄漏、免維修：這幾點(diǎn)的考慮是必備的,想提高液壓系統(tǒng)的效率,必須從減少能量損失入手,如果回路設(shè)計(jì)、安裝合理,元件選配得當(dāng),是可以收到令人滿意效果的。因此,效率指標(biāo)應(yīng)當(dāng)列入考核范圍。所謂“零泄漏”是指液壓系統(tǒng)在一段相當(dāng)長的時(shí)期(比如一兩年或一個(gè)大修期內(nèi)) 經(jīng)過頻繁使用,仍點(diǎn)滴不

32、漏。這項(xiàng)技術(shù)要求難度大,但是,如果制作者、使用者都認(rèn)真遵守操作規(guī)程的話,是能做到的。一臺(tái)液壓絞車做到結(jié)構(gòu)簡單,高可靠,零泄漏,自然就可以“免維修”(常規(guī)潤滑清潔工作不免) ,亦即免除了意外事故,可以放心使用。</p><p><b>　　1.3論述設(shè)計(jì)問題</b></p><p>　　深海絞車是海洋測量的重要設(shè)備，對測量工作的影響非常大。由于繩纜長度大質(zhì)量大，線纜受力

33、也很大，排纜器受線纜作用至使排纜不均 ，導(dǎo)致線纜纏結(jié)，卷筒無法正常工作，造成放線精度差，線纜放線長度突然變化，可能會(huì)對精密的海洋探測儀器造成損壞、影響測量工作。此外，設(shè)計(jì)深海絞車時(shí) ，線纜總長度的增加導(dǎo)致線纜總質(zhì)量增加 ，卷筒載荷過大，傳統(tǒng)解決方法 增加卷筒體積、增加卷筒壁厚，造成絞車體積質(zhì)量增大，占用船體有限空間，雖改進(jìn)排纜器結(jié)構(gòu)但排纜器仍然是深海絞車的脆弱環(huán)節(jié) </p><p>　　1.4本課題的研究內(nèi)容&l

34、t;/p><p>　　針對深海絞車受體積、載荷和自身質(zhì)量的的限制，將單卷筒絞車分離為提升絞車和纏繞絞車兩部分，再大量增加線纜長度和減小絞車尺寸、質(zhì)量的同時(shí)，有效地解決卷筒載荷和排纜問題，并簡化排纜器結(jié)構(gòu)增加絞車的適應(yīng)性和效率。</p><p><b>　　具體工作如下：</b></p><p>　　1. 分析當(dāng)前海洋測量專用絞車的工作原理，解決當(dāng)前

35、絞車派來不均的問題；</p><p>　　2. 設(shè)計(jì)絞車的儲(chǔ)纜、排纜和牽引三個(gè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)牽引和排纜；</p><p>　　3. 結(jié)合UG進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型建立;</p><p>　　4. 結(jié)合UG進(jìn)行絞車的運(yùn)動(dòng)分析。</p><p>　　1.5 Unigraphics NX3.0</p><p>　　本課題應(yīng)用

36、的Unigraphics軟件是一種在許多世界級大企業(yè)中被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)（CAD）的高端主流軟件，它功能強(qiáng)大，模塊豐富，外延性好，適合于在航天、航空、汽車、通用械、醫(yī)療器械、日用輕工等領(lǐng)域里，在從創(chuàng)意，到 設(shè)計(jì)，到分析，直到制造的全過程中，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜零件、部件直到整機(jī)的虛擬開發(fā)。它的基礎(chǔ)工作就是先建立每個(gè)零件的主模型，該主模型可以是參數(shù)全相關(guān)的，也可以是部分相關(guān)的。它雖然只是一個(gè)虛擬的數(shù)學(xué)模型，但是，卻具有一個(gè)實(shí)

37、實(shí)在在的物體所具有的一切物理屬性，因此，可以對它進(jìn)行體積、面積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、各斷面慣性矩等物理量的精確計(jì)算，可以測量一個(gè)復(fù)雜裝配中兩個(gè)零件之間的最小距離，也可以通過虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，對裝配中的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行定量的分析，當(dāng)設(shè)計(jì)成熟后，還可以利用零件的數(shù)學(xué)模型，借助于計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程模塊，生成加工相關(guān)模具所需的多至五軸的數(shù)控加工程序。同時(shí)，它也可生成傳統(tǒng)意義上的工程圖。當(dāng)您的零件主模型采用的是參數(shù)全相關(guān)的設(shè)計(jì)時(shí)，凡

38、是對零件主模型實(shí)施的改動(dòng)，均會(huì)自動(dòng)地在對應(yīng)的工程圖上和相關(guān)的裝配中體現(xiàn)出來[2]。      UG是一套集CAD/CA</p><p>　　當(dāng)今，Unigraphics已被廣泛應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及工程仿真和數(shù)字化制造等各個(gè)領(lǐng)域。功能強(qiáng)大的UG 主要依賴于其中大量的功能模塊, 如CAD模塊、CAE模塊、CAM模塊、鈑金模塊以及管道與布線

39、模塊等等。其中CAE 模塊中的UG/機(jī)構(gòu)(UG/Scenario for Motion ) 嵌入求解器ADAM S/Kinematics 可以對二維和三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及設(shè)計(jì)仿真, 分析產(chǎn)品的臨界位置、反作用力、速度及加速度。UG 在設(shè)計(jì)、分析和制造領(lǐng)域所擁有的強(qiáng)大功能,為工程師提供了一個(gè)虛擬的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境[3] 。</p><p><b>　　2 絞車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b>&

40、lt;/p><p><b>　　2.1設(shè)備組成</b></p><p>　　8000米海洋測量絞車安裝在調(diào)查船上與單臂吊架配合完成儀器設(shè)備的投放和回收作業(yè)。絞車部分主要由卷筒、排繩器、壓纜器、手制動(dòng)器、液壓馬達(dá)等組成。由于采用集中液壓泵站，在絞車上只裝有液壓馬達(dá)和換向閥，所以液壓絞車只需提供所需供油最大流量和液壓系統(tǒng)最大壓力。絞車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括卷筒、排纜器、壓纜器等。&l

41、t;/p><p><b>　　2.2技術(shù)條件</b></p><p>　　a． 絞車容8000m，；</p><p>　　b. 牽引載荷：2000kg</p><p>　　c. 最大載荷：2800kg</p><p>　　d.最大收放繩速度1m/s。</p><p>　　2.3

42、鋼絲繩直徑的計(jì)算與選擇</p><p>　　根據(jù)最大起升載荷計(jì)算鋼絲繩直徑，用以確定焊接卷筒壁厚。</p><p><b>　?。?） 鋼絲繩</b></p><p>　　鋼絲繩是其起重機(jī)械的重要零件之一，在起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)重用做承載繩，在運(yùn)行機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中用作牽引繩。</p><p>　　（2） 鋼絲繩的分類<

43、;/p><p>　　鋼絲繩按捻向可分為左捻和右捻。</p><p>　　鋼絲繩根據(jù)繩股與繩的捻向，可分為交捻繩和順捻繩。也就是由絲捻成股的方向和由股捻成繩的方向若相反，則稱為交捻繩；要由絲捻成股和由股捻成繩的方向相同則成為順捻繩。</p><p>　　交捻繩的特點(diǎn)是鋼絲繩不會(huì)松散，吊起物品不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是當(dāng)鋼絲都一樣粗細(xì)時(shí)，鋼絲間為點(diǎn)接觸，因此鋼絲繩壽命短些。</p

44、><p>　　順捻繩的特點(diǎn)是，當(dāng)單根繩起吊物品時(shí)，物品會(huì)向鋼絲繩松散方向轉(zhuǎn)動(dòng)。但鋼絲繩壽命會(huì)長些。</p><p>　　根據(jù)鋼絲接觸狀態(tài)可分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸。由于繩股內(nèi)各層鋼絲直徑相同，但各層螺距不等，所以鋼絲互相交叉，形成點(diǎn)接觸，在工作中接觸應(yīng)力很高，鋼絲易磨損折斷。優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡單。繩股內(nèi)鋼絲粗細(xì)不同，將細(xì)鋼絲置于粗鋼絲的溝槽內(nèi)，粗細(xì)鋼絲間呈線接觸狀態(tài)。由于線接觸繩接觸應(yīng)力較小，

45、鋼絲繩壽命長，同時(shí)撓性增加。由于線接觸鋼絲繩較為密實(shí)，所以相同直徑的鋼絲繩，線接觸繩破斷拉力大些。繩股內(nèi)鋼絲直徑相同，同向捻鋼絲繩也屬于線接觸繩。線接觸鋼絲繩有瓦林吞（W）型和西爾（X）型以及填充（T）型等。X型鋼絲繩也稱外粗式，股內(nèi)外層鋼絲粗，內(nèi)層鋼絲細(xì)。這種鋼絲繩的優(yōu)點(diǎn)是是耐磨。W型鋼絲繩也稱粗細(xì)式，股內(nèi)外層鋼絲粗細(xì)不等，細(xì)絲置于粗絲之間。這種鋼絲具有較好的撓性。T型鋼絲繩的內(nèi)外層鋼絲之間填充較細(xì)的鋼絲。這種鋼絲繩內(nèi)部磨損小，抗擠壓

46、，耐疲勞，但撓性稍差。面接觸繩采用異形斷面鋼絲，鋼絲間呈面狀接觸。其優(yōu)點(diǎn)是破斷拉力大，耐磨。</p><p>　?。?） 鋼絲繩的選擇</p><p>　　根據(jù)機(jī)構(gòu)工作類型，使用要求，選取適合的安全系數(shù)，然后用下式計(jì)算鋼絲繩應(yīng)有的破斷拉力：</p><p><b>　　S破≥n?Smax</b></p><p>　　式中

47、S破—— 鋼絲繩破斷拉力；</p><p>　　n —— 鋼絲繩最小安全系數(shù)，見表8</p><p>　　Smax—— 鋼絲繩最大工作靜拉力。</p><p>　　若鋼絲繩表中給出整條繩的破斷拉力時(shí)，可以從表中直接選擇。</p><p>　　當(dāng)表中只提供鋼絲破斷拉力總和 時(shí)，按下式計(jì)算整條繩的破斷拉力。</p><p>

48、;<b>　　S絲＝</b></p><p>　　式中 α——折減系數(shù)，對繩6×37，α＝0.82；對繩6×19，α＝0.85；</p><p>　　—— 鋼絲繩規(guī)格表中提供的鋼絲破斷拉力總和。</p><p>　　選擇一條破斷拉力稍大一些的鋼絲繩即可。</p><p><b>　　

49、≥n?Smax</b></p><p><b>　　≥</b></p><p>　　再根據(jù)鋼絲破斷拉力總和，選擇一條鋼絲繩。</p><p>　　表1最小安全系數(shù)n值表</p><p>　?。?）鋼絲繩直徑按最大工作靜壓力計(jì)算</p><p><b>　　d＝c (mm)&

50、lt;/b></p><p>　　式中d —— 鋼絲繩最小直徑，mm；</p><p>　　c —— 選擇系數(shù)；</p><p>　　Smax —— 鋼絲繩最大工作靜壓力，N。</p><p>　　選擇系數(shù)由下式計(jì)算：</p><p><b>　　c＝</b></p><

51、p>　　式中 n —— 安全系數(shù)；</p><p>　　ω —— 鋼絲繩充滿系數(shù)，；</p><p>　　k —— 鋼絲繩捻制折減系數(shù)，k＝0.82～0.85；</p><p>　　—— 鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度，N/mm2。</p><p>　　選擇系數(shù)c值也可根據(jù)安全系數(shù)、機(jī)構(gòu)工作級別從表9中選用。</p><p&g

52、t;　　表2選擇系數(shù)c和安全系數(shù)n表 </p><p>　?。?） 鋼絲繩的報(bào)廢</p><p>　?、?鋼絲繩的斷絲數(shù)在一個(gè)捻節(jié)距內(nèi)達(dá)到表15-10規(guī)定的數(shù)時(shí)，則應(yīng)報(bào)廢。鋼絲繩的捻節(jié)距就是任一條鋼絲繩股環(huán)軸線繞一周的軸向距離。</p><p>　　圖2.1鋼絲繩節(jié)距的測量</p><p>　　表3的鋼絲繩的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，也可以理解為一條鋼絲繩

53、的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)是在一個(gè)捻節(jié)距內(nèi)斷絲數(shù)達(dá)鋼絲繩總絲數(shù)的10％。如繩6×19＝114絲，當(dāng)斷絲數(shù)達(dá)12絲即應(yīng)報(bào)廢更新；繩6×37＝222絲，當(dāng)斷絲數(shù)達(dá)22絲即應(yīng)報(bào)廢更新。對于復(fù)合型的鋼絲繩中的鋼絲，斷絲數(shù)計(jì)算是：細(xì)絲一根算一絲，粗絲一根算1.7絲。</p><p>　　表3鋼絲繩報(bào)廢時(shí)的斷絲數(shù) </p><p>　?、?鋼絲徑向磨損或腐蝕量超過原直徑的40％應(yīng)報(bào)廢。當(dāng)不到40

54、％時(shí)，可按喪表11折減數(shù)報(bào)廢。</p><p>　?、?吊運(yùn)赤熱金屬或危險(xiǎn)晶的鋼絲繩，報(bào)廢斷絲數(shù)取通用起重機(jī)用鋼絲繩報(bào)廢斷絲數(shù)的一半，其中包括鋼絲表面磨損或腐蝕折減。</p><p>　?、?鋼絲繩直徑減少達(dá)公稱直徑的7％，應(yīng)報(bào)廢。</p><p><b>　　表4折減系數(shù)表</b></p><p>　　（6）鋼絲繩的安

55、全檢驗(yàn)</p><p>　　鋼絲繩檢驗(yàn)的主要依據(jù)是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4309－81，也可以參考美國標(biāo)準(zhǔn)ANSIB30.4等規(guī)定。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)可分為日常檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)和特殊檢驗(yàn)。日常檢驗(yàn)就是日檢；定期檢驗(yàn)，根據(jù)裝置形式、使用率、環(huán)境以及上次檢驗(yàn)的結(jié)果，可確定月檢還是年檢。鋼絲繩有很突出的變化或遇臺(tái)風(fēng)和地震，以及停用一個(gè)月以上的起重機(jī)，則進(jìn)行特殊檢驗(yàn)。表4是鋼絲繩的檢驗(yàn)部位表。<

56、;/p><p>　　表5是鋼絲繩的檢驗(yàn)項(xiàng)目表</p><p>　　表5 鋼絲繩的檢驗(yàn)項(xiàng)目表 </p><p>　?。?）鋼絲繩連接的安全要求</p><p>　　常用的連接方式是編結(jié)繩套。繩套套入心形環(huán)上，然后末端用鋼絲扎緊，而捆扎長度≥15d繩（繩徑），同時(shí)不應(yīng)小于300mm。</p><p>　　當(dāng)兩條鋼絲繩對接時(shí)

57、，用編結(jié)法編結(jié)長度也不應(yīng)小于15d繩,并且不得小于300mm，強(qiáng)度不得小于鋼絲繩破斷拉力的75％。</p><p>　　另—種方式是鋼絲繩卡。繩卡數(shù)目與繩徑有關(guān)，繩徑為7～16mm應(yīng)按3個(gè)繩卡；9～27mm應(yīng)按4個(gè)；28～37mm應(yīng)按5個(gè)；38～45mm應(yīng)按6個(gè)。繩卡間距不得小于鋼絲繩直徑的6倍。連接時(shí)，繩卡壓板應(yīng)在鋼絲繩長頭，即受力端。連接強(qiáng)度不應(yīng)低于鋼絲繩破斷拉力的85％。</p><p&

58、gt;　　用錐形套澆鑄法連接時(shí)，連接強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到鋼絲繩的破斷拉力。</p><p>　　用鋁合金套壓縮法連接時(shí)，連接強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到鋼絲繩破斷拉力的100％。</p><p>　　任何情況下，鋼絲繩在卷筒上，都必須留有不少于2～3圍的安全圈。</p><p>　　為避免打結(jié)，松散，在從鋼絲繩卷繩木滾上取繩時(shí)，應(yīng)使木滾支在架子上把繩拉直展開然后按需要截取。</p>

59、<p>　　鋼絲繩的維護(hù)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：</p><p>　　(1)鋼絲繩應(yīng)防止損傷、腐蝕或其他物理?xiàng)l件造成的性能降低。</p><p>　　(2)鋼絲繩開卷時(shí)，應(yīng)防上打結(jié)或扭曲。</p><p>　　(3)鋼絲繩切斷時(shí)，應(yīng)有防止繩股散開的措施。</p><p>　　(4)鋼絲繩要保持良好的潤滑狀態(tài)，所有潤滑劑應(yīng)符合繩的要求。&

60、lt;/p><p>　　(5)鋼絲繩應(yīng)每天檢查，包括對端部的固定連接及平衡處，并作出安全判斷[4]。</p><p>　　2.4絞車主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算分析</p><p>　　2.4.1 絞車基本參數(shù)計(jì)算</p><p>　?。?）鋼絲繩受力復(fù)雜，內(nèi)部應(yīng)力難以計(jì)算，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定可按鋼絲繩在工作狀態(tài)下的最大經(jīng)拉力計(jì)算，其公式為：</p>

61、<p>　　d－鋼絲繩最小直徑，單位mm；</p><p>　　s－鋼絲繩最大工作靜拉力，單位N</p><p>　　c－選擇系數(shù)，它的取值與機(jī)構(gòu)工作級別和鋼絲繩抗拉強(qiáng)度有關(guān)</p><p>　　c＝0.093 s=28000N </p><p>　　d =15.56mm</p>

62、<p><b>　　取d=16mm</b></p><p>　　選取圓股鋼絲繩 6×19W 鍍鋅 纖維芯鋼絲繩</p><p>　　鋼絲繩近似重量92.13kg/100m </p><p>　　抗拉強(qiáng)度1470Mp </p><p>　　鋼絲繩最小破斷拉力124KN</p><

63、;p>　　8000m鋼纜重7.36t</p><p>　?。?） 卷筒直徑計(jì)算</p><p>　　摩擦卷筒壁厚a=16mm </p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Σ辆硗矄螌永p繞鋼纜圈數(shù)不得小于5圈，取15圈</p><p><b>　　①摩擦卷筒直徑</b></p><p>　　D=40

64、5;16=640mm </p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)=630mm 寬B=310mm</p><p>　?、诶p繞卷筒=480mm </p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)=500mm 寬B=1120mm</p><p>　　卷筒每層繞鋼絲繩長度Si</p><p>　　Si=π[D+(2n-1)d]×B/D

65、 N為層數(shù)，d為鋼絲繩直徑。</p><p>　　S1+S35=8155.559m</p><p>　　D35=1524mm 輪緣D=1700mm</p><p>　?。?）絞車所受力矩 </p><p><b>　　摩擦卷筒</b></p><p><b>　　F為卷筒所受拉力&l

66、t;/b></p><p>　　最大拉力Fmax=繩端負(fù)荷+放出繩重=2800+7360=10160kg</p><p>　　Mmax=0.63/2×10160×10=32004 N·m</p><p><b>　　纏繞卷筒</b></p><p>　　F=最小破斷拉力×0.

67、2%=124KN×0.02=2480N</p><p>　　經(jīng)計(jì)算第1層至第35層，最大力矩發(fā)生在第18層</p><p>　　M=(500+16×2×18)/（2×1000）×2480=1334.24N</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)速</b></p><p>　

68、　摩擦卷筒 V＝1m/s V=wr </p><p>　　r=630/2=315mm n=30rad/min </p><p>　　纏繞卷筒 n=37rad/min</p><p><b>　?。?）功率</b></p><p><b>　　P=FV</b></p><p

69、>　　摩擦卷筒Pmax=101.6KW</p><p>　　纏繞卷筒Pmax=1.4KW </p><p>　　2.4.2絞車排繩器設(shè)計(jì)</p><p>　　采用雙向?qū)蚪z杠進(jìn)行排纜 纏繞卷筒與排纜器絲杠轉(zhuǎn)速比為3.5</p><p><b>　　螺距P＝56 </b></p><p>　　

70、3.7 手動(dòng)制動(dòng)器強(qiáng)度校核 </p><p>　　該制動(dòng)器為帶式手動(dòng)螺桿制動(dòng)器，制動(dòng)輪為鋼質(zhì)，制動(dòng)帶為石棉樹脂材料。</p><p><b>　　制動(dòng)帶的最大拉力</b></p><p>　　M為卷筒承受最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M=32004N?m，</p><p>　　D為制動(dòng)輪直徑D=470mm，為摩擦系數(shù)</p>

71、;<p><b>　　為摩擦帶的包角</b></p><p><b>　　校核摩擦面比壓P</b></p><p>　　根據(jù)對應(yīng)材料查得[P]=0.294Mpa。</p><p><b>　　鋼帶拉伸應(yīng)力校核</b></p><p>　　鋼帶材料1Cr18Ni9T

72、i，其，</p><p><b>　　許用拉應(yīng)力</b></p><p>　　由于屈強(qiáng)比，故取n=1.2</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　鋼帶拉伸應(yīng)力</b></p><p>　　m為鋼帶橫截面螺釘數(shù)m=2，d為螺釘

73、直徑，</p><p><b>　　，滿足強(qiáng)度要求</b></p><p>　　2.4.3絞車鋼絲繩安全系數(shù)校核</p><p>　　鋼絲繩規(guī)格為Φ=16mm，8000m重7360kg，破斷拉力為12400kg。</p><p>　　鋼絲繩最大拉力Fmax=繩端負(fù)荷+繩重</p><p><

74、b>　　安全系數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)船舶專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB3128-82(水文絞車)的要求，鋼絲繩破斷拉力不小1.5倍最大拉力，因此滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。</p><p>　　2.5卷筒結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　卷筒是絞車重要的部件之一。大型絞車的卷筒一般采用焊接卷筒, 因其自重比鑄造卷筒輕, 且隨卷筒直徑的增加, 減輕效果更加顯著。多年來,

75、 對于絞車的焊接卷筒壁厚一直由經(jīng)驗(yàn)公式確定, 即取卷筒的壁厚h約等于鋼絲繩直徑d, 然后根據(jù)需要進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。隨著吊升機(jī)械的不斷大型化和高速化, 相應(yīng)地鋼絲繩的直徑d有增大的趨勢, 故而在設(shè)計(jì)卷筒時(shí)卷筒壁厚h也大。由于h的增大, 要卷成卷筒的鋼板的抗彎強(qiáng)度增大了, 這給鋼板的加工、焊接帶來了很大的困難。因此, 卷筒壁厚應(yīng)該減薄。即采用焊接卷筒[5]。</p><p><b>　　2.6尺寸的確定

76、</b></p><p>　　根據(jù)機(jī)絞車墨擦卷筒和纏繞卷筒的直徑，可定出絞車的基本尺寸，摩擦卷筒輪緣直徑為670mm，纏繞卷筒輪緣直徑1700mm，以確定外形尺寸。</p><p>　　根據(jù)操作扭矩為32004N·m ，根據(jù)轉(zhuǎn)矩確定各傳動(dòng)軸直徑，進(jìn)而確定各軸承尺寸及軸承的配合方式。</p><p>　　由此，絞車的主要尺寸就確定下來了，以后建模

77、就依據(jù)這些尺寸，各零部件的詳細(xì)尺寸及公差參見工程圖紙。</p><p>　　2.7傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定</p><p>　　摩擦卷筒是提升裝置的主要部件，其傳動(dòng)和機(jī)構(gòu)形式影響著整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷能力、可靠性和效率。絞車傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式是由驅(qū)動(dòng)裝置傳遞給驅(qū)動(dòng)軸，由驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)整個(gè)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)矩較大，大輸出功率的卷筒軸必然直徑很大，影響整套設(shè)備的質(zhì)量，因此本設(shè)備采用支撐軸支撐卷筒和驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)卷筒，驅(qū)

78、動(dòng)軸由漸開線花鍵與筒身連接，增加輸出轉(zhuǎn)矩并減小質(zhì)量。</p><p>　　2.8各部分材料的選擇</p><p>　　在選擇絞車材料時(shí)，對于那些在工作介質(zhì)內(nèi)部的零部件，不僅要像一般零件的選材那樣，要考慮材料的強(qiáng)度、硬度、剛度等力學(xué)性能，因?yàn)樵诤Ｉ献鳂I(yè)還要考慮材料的耐蝕性能和熱學(xué)性等對海洋絞車使用壽命的影響[6]。</p><p><b>　　3 絞車的虛擬

79、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 虛擬設(shè)計(jì)簡介</p><p>　　虛擬設(shè)計(jì)（Virtual Design）就是以“虛擬現(xiàn)實(shí)”（Virtual Reality）技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對象的設(shè)計(jì)手段[7]。借助這樣的設(shè)計(jì)手段設(shè)計(jì)人員可以通過多種傳感器與多維的信息環(huán)境進(jìn)行自然的交互，實(shí)現(xiàn)從定性和定量的綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意。虛擬設(shè)計(jì)

80、是一種新興的多學(xué)科研成果交叉技術(shù)。它涉及多方面的學(xué)科研成果與專業(yè)技術(shù)，通過以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對象，把設(shè)計(jì)人員從傳統(tǒng)的感器與多維的信息環(huán)境進(jìn)行交互，同時(shí)利用這項(xiàng)技術(shù)也可以大大地減少實(shí)物模型和樣品的制造[8]。人們對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行廣泛的探討研究后發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)（虛擬設(shè)計(jì)）對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省制造成本有著重要的意義。當(dāng)今在不少大公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都采用了這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，例如通用汽車公司、波音公司、奔馳

81、公司、福特汽車公司等。隨著科技日新月異的高速成發(fā)展，虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)等方面必將發(fā)揮更加重大的作用。 例如：美國波音公司777飛機(jī)的虛擬原形機(jī)，就利用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)對該產(chǎn)品進(jìn)行全數(shù)字化三維描述，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的虛擬油泥模型和無紙工</p><p>　　虛擬設(shè)計(jì)按照配置的檔次可分為兩大類：一種是基于PC機(jī)的廉價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；另一種是基于工作站的高檔產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。雖然是兩種系統(tǒng)，但

82、它們的工作原理是基本相同的。首先看一下PC機(jī)系統(tǒng)，它的優(yōu)勢主要在于價(jià)格低廉，對小型虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)非常適宜，并且它的用戶廣泛，所以具有良好的市場前景。隨著PC機(jī)性能的迅速提高，越來越多的問題完全可以利用PC機(jī)解決，但是由于目前PC機(jī)的發(fā)展仍不夠完善，很難勝任大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)，因此對于這些復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，高檔的工作站仍是不可取代的硬件平臺(tái)[39]。進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)時(shí)，首先要在計(jì)算機(jī)中生成虛擬模型，即建立零件或產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型。通

83、過這個(gè)虛擬模型，我們可以做很多工作[10]。</p><p>　?。?）進(jìn)行多方案對比，從中選出最佳方案；</p><p>　　（2）設(shè)計(jì)者通過虛擬模型可以進(jìn)行虛擬裝配，以檢查各零部件尺寸以及可裝配性，即時(shí)修改錯(cuò)誤；</p><p>　?。?） 通過虛擬模型，可以進(jìn)行虛擬試驗(yàn)和分析，而不用再去做更多的實(shí)物試驗(yàn)。這樣，既節(jié)省了時(shí)間又節(jié)約了費(fèi)用。</p&

84、gt;<p>　　在虛擬的設(shè)計(jì)制造過程中，體現(xiàn)了并行工作的思想，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，它的下游應(yīng)用部門（如工藝部門、加工部門、分析部門等）就已經(jīng)介入設(shè)計(jì)階段，所以設(shè)計(jì)過程是一個(gè)可反饋、修改的過程。設(shè)計(jì)中所建立虛擬模型要能夠支持模型的實(shí)時(shí)修改，系統(tǒng)能自動(dòng)刷新模型，以滿足設(shè)計(jì)要求。由此，這種設(shè)計(jì)過程不必等產(chǎn)品全部設(shè)計(jì)完才進(jìn)行下游工作，而是在產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)后，就可以進(jìn)行方案評審，并不斷修改設(shè)計(jì)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求[11]。</p&

85、gt;<p>　　3.2絞車的虛擬設(shè)計(jì)</p><p>　　對于本設(shè)計(jì)的絞車來說，由于并不是很復(fù)雜，一般的PC機(jī)系統(tǒng)即可勝任。本人就是在安裝有UG NX3.0的普通酷睿2個(gè)人電腦上來完成絞車各個(gè)零部件的三維建模、虛擬裝配和仿真分析的，因此虛擬設(shè)計(jì)對于資金并不是很雄厚的小型企業(yè)同樣具有應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　3.2.1 絞車虛擬設(shè)計(jì)的建模</p><

86、p>　　絞車是由若干零件組成的,因此,在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真前要先作有關(guān)零件的實(shí)體建模。在 UG 的插入菜單下 ,可選擇的各種圖形設(shè)計(jì)工具主要有:草圖、曲線、實(shí)體建模、曲面造型、鈑金等。對于形狀不很規(guī)則的零部件，可先在草圖狀態(tài)下繪制出平面圖形,然后利用用圖層控制組織零件實(shí)體,結(jié)合拉延等方法將平面圖形轉(zhuǎn)為三維零件實(shí)體[12]。</p><p>　?。?）提升絞車的設(shè)計(jì)過程與建模</p><p&

87、gt;　?、?摩擦卷筒是絞車提升裝置的主體，由卷筒作為設(shè)計(jì)的開始</p><p>　　根據(jù)基本參數(shù)繪制卷筒模型 運(yùn)用UG 實(shí)體建模的草圖繪制功能繪制草圖，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)生成卷筒實(shí)體，通過掃描和布爾運(yùn)算生成繩槽（如圖.3.4.1圖3.4.2）</p><p>　　圖3.1摩擦卷筒實(shí)體 圖3.2 掃描操作</p><p>　?、?在摩擦卷筒

88、的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)內(nèi)部支撐及連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊使卷筒具有較高的力學(xué)性能</p><p>　　運(yùn)用UG的草圖功能繪制草圖，進(jìn)一步確定相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸（如圖3.4.3）。</p><p>　　圖3.3 卷筒及支撐件草圖</p><p>　?、?卷筒上的焊接部件，其連接和支撐作用，端法蘭焊接在卷筒上（如圖3.4.4 ）。</p><p>&l

89、t;b>　　圖3.4 端法蘭</b></p><p><b>　　圖 3.5支架</b></p><p>　　圖3.4.5支架焊接在卷筒上，用以支撐和連接支撐軸。</p><p>　?、?支撐軸通過軸承與底座連接對滾筒起支撐作用（如圖 3.6）</p><p><b>　　圖 3.6</

90、b></p><p>　?、?由于齒圈是易損部件，考慮到更換的需要，將齒圈固定在卷筒支架上，保證了維修和結(jié)構(gòu)的安全可靠。圖3.7為固定齒圈的支架，此支架通過法蘭連接在卷筒上。</p><p><b>　　圖3.7</b></p><p>　?、尢嵘g車的傳動(dòng)部分由漸開線花鍵軸和漸開線齒圈構(gòu)成，漸開線花鍵的造型是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，先在草圖上進(jìn)行曲

91、線參數(shù)化造型，一個(gè)齒拉伸為實(shí)體然后環(huán)形陣列。如圖3.8、圖3.9</p><p>　　圖3.8 圖3.9</p><p>　?、咻喚壉ＷC鋼纜不脫離卷筒發(fā)生危險(xiǎn)，并起到加強(qiáng)卷筒強(qiáng)度的作用。如圖3.10。</p><p><b>　　圖3.10</b></p><p>　?、?/p>

92、底座，起到支撐作用。</p><p>　　圖3.11 圖3.12</p><p>　?、釅豪|器，為保證線纜工作中始終與卷筒緊密接觸。</p><p><b>　　圖3.13</b></p><p>　?、饧喪峭Ｖ蛊鞯囊环N，它防止系統(tǒng)逆轉(zhuǎn)和支持重物不動(dòng)的裝置。它有三種主要

93、功能：</p><p><b>　　1）支持作用；</b></p><p><b>　　2) 止逆作用；</b></p><p>　　3）允許機(jī)構(gòu)單方向自由遠(yuǎn)動(dòng)逆方向限速運(yùn)動(dòng)即超越離合作用。本機(jī)構(gòu)在逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)棘爪的運(yùn)動(dòng)繼電器控制[13]。</p><p>　　圖3.14棘輪

94、 圖3.15 棘爪</p><p>　　11.軸承，通過UG進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，同類型軸承不用重新造型，只需改變尺寸驅(qū)動(dòng)。（如圖3.4.19 ）</p><p>　　圖3.16 雙列角接觸球軸承</p><p>　　圖3.17 雙列角接觸球軸承外圈</p><p>　　圖3.18 雙列圓錐滾子軸承</p><p&

95、gt;　　圖3.19 卷筒內(nèi)部支撐及齒圈部件安裝</p><p>　　圖 3.20 棘輪、漸開線花鍵軸的部件安裝</p><p>　　圖3.21 提升卷筒的裝配模型圖</p><p>　　（2）纏繞絞車的設(shè)計(jì)過程與建模</p><p>　　纏繞絞車的基本設(shè)計(jì)步驟和方法與提升絞車的相似，不同的是纏繞絞車的卷筒的功能與提升絞車不同。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)仍采用

96、傳統(tǒng)的方式，軸與卷筒由平鍵連接。</p><p>　?、?由于功能差異，纏繞卷筒需設(shè)置線纜的固定裝置，將線纜引入卷筒內(nèi)部固定，不會(huì)影響線纜的纏繞和排纜。如圖所示為線纜的引入孔，為了保證線纜的使用壽命，邊緣倒圓角。</p><p><b>　　圖3.22</b></p><p>　　②絲杠幫助排纜器完成排纜功能，其精度直接影響排纜精度。因?yàn)榕爬|器

97、的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，為簡化機(jī)構(gòu)采用雙向?qū)蚪z剛，省去換向機(jī)構(gòu)。如圖3.4.14</p><p><b>　　圖3.23</b></p><p>　?、叟爬|器是纏繞絞車的重要功能部件，排纜器由滑塊和導(dǎo)向輪組成，滑塊通過圓柱滾子連接絲杠導(dǎo)向槽，為滾動(dòng)摩擦，有效提升使用壽命和排纜精度。滑塊由內(nèi)六角螺栓固定在排纜器上。</p><p>　　圖 3.24 滑

98、塊 圖3.25 內(nèi)六角螺栓</p><p><b>　　圖3.26排纜器</b></p><p>　　圖3.27排纜器與絲杠的裝配</p><p>　?、懿捎锰嵘c纏繞功能分離方案使得排纜器上受外力很小可以，一臺(tái)小功率電機(jī)就可以提供足夠的驅(qū)動(dòng)。由齒輪傳輸動(dòng)力。圖 3.28 為齒輪模型</p>

99、<p><b>　　圖3.29</b></p><p>　?、堇p繞卷筒輪緣要承受8000米鋼纜的側(cè)面擠壓力。焊接加強(qiáng)筋。</p><p><b>　　圖3.30</b></p><p>　?、蘧硗矁?nèi)部焊接支架，傳遞主軸動(dòng)力。如圖3.4.31</p><p><b>　　圖3.31

100、</b></p><p>　　圖3.32 纏繞卷筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.33纏繞卷筒總體裝配</p><p>　　小結(jié)：在絞車零部件的建模中采用的是三維實(shí)體建模。它是目前應(yīng)用最多的—種技術(shù)，它在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、物理特性計(jì)算、裝配干涉檢驗(yàn)、有限元分析方而都已成為不可缺少的工具。實(shí)體建模生成物體的方法有體素法、輪廓掃描法（二維平面封閉輪廓在空間平移

101、或旋轉(zhuǎn)形成實(shí)體）、參數(shù)化建模、基于參數(shù)化的特征建模等。在絞車的虛擬設(shè)計(jì)中主要采用基于參數(shù)化的特征建模方法，以方便在后續(xù)的設(shè)計(jì)中對絞車零、部件的修改及分析。</p><p><b>　　3.3 虛擬裝配</b></p><p>　　虛擬裝配（Virtual Assembly Design）是虛擬設(shè)計(jì)在新產(chǎn)品開發(fā)方面具有較大影響力的一個(gè)領(lǐng)域。虛擬裝配采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)

102、實(shí)技術(shù)，通過仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真裝配，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試，它是實(shí)際裝配的過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)[14]。</p><p>　　3.3.1 虛擬裝配設(shè)計(jì)的過程</p><p>　　在虛擬裝配中通常要完成以下的工作：</p><p>　?。?）建立靈活的裝配模型。向系統(tǒng)中導(dǎo)入單個(gè)的零部件，將零部件編組生成整個(gè)的部件裝配體；給零部件添加上材料

103、、顏色、特征等信息；給零部件添加上各種裝配關(guān)系。</p><p>　?。?）增加裝配層次關(guān)系。</p><p>　?。?）完成裝配仿真。</p><p><b>　　虛擬裝配的步驟為：</b></p><p>　?。?）確定裝配層次：裝配層次是指絞車總裝配體的子裝配體組成。子裝配體還可以再細(xì)分為零件。</p>

104、<p>　　（2）確定裝配順序：根據(jù)絞車的結(jié)構(gòu)尺寸形式和各個(gè)部件之間的約束關(guān)系，確定整個(gè)設(shè)備的裝配順序。</p><p>　?。?）建立裝配結(jié)構(gòu)和加入部件成員并確定裝配約束：裝配約束是確定基準(zhǔn)件和其它組成件的定位及相互約束關(guān)系，主要由裝配特征、約束關(guān)系和裝配設(shè)計(jì)管理樹組成。</p><p>　?。?）裝配信息查詢和干涉分析：干涉檢查是指在特定裝配結(jié)構(gòu)形式下，檢查裝配體的各個(gè)零

105、部件之間的相對位置關(guān)系，是否存在干涉[15]。</p><p>　　3.3.2 絞車的虛擬裝配設(shè)計(jì)</p><p>　　在建好各個(gè)零部件的三維實(shí)體模型后，接下來就要利用 UG的裝配模塊 ,將零件模型裝配為機(jī)械系統(tǒng)(總成) 。主要工具為:編排構(gòu)造、創(chuàng)建 、添加零件 、移除零件、重新定位、定義配合等及其子菜單。裝配過程可包括數(shù)個(gè)子裝配過程。機(jī)械總成設(shè)在裝配文件中。打開裝配文件的同時(shí) ,需打開各

106、個(gè)被裝配零件所在的文件。裝配過程與零件建模具有相關(guān)性 ,即在裝配過程中可根據(jù)使用要求新建或修改零件 ,零件的修改會(huì)在裝配文件中相應(yīng)變化。反之 ,裝配文件中的修改也會(huì)在對應(yīng)的零件文件中相應(yīng)變化[16]。</p><p>　　絞車由數(shù)十個(gè)零件組成，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。裝配層次機(jī)構(gòu)圖表達(dá)了總裝、部件、組件的構(gòu)成表，部件與部件、部件與零件之間的父子包含關(guān)系。而設(shè)計(jì)的部件裝配時(shí)是否產(chǎn)生干涉，如何確定各零部件的裝配尺寸，從而確

107、定機(jī)器的外形及尺寸，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法依靠工程師在一大堆圖紙中反復(fù)查找、反復(fù)核對，甚至強(qiáng)行記憶，達(dá)到對零件尺寸和裝配的全面控制與配合。但由于絞車造型無簡單規(guī)律，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以勝任，甚至?xí)r有出錯(cuò)。設(shè)計(jì)時(shí)未能檢查出來的失誤，在投入樣機(jī)生產(chǎn)后，無疑會(huì)造成樣機(jī)的部分甚至全部失效和報(bào)廢。采用虛擬建模和裝配就能在樣機(jī)生產(chǎn)預(yù)先就確定和得到正確的裝配和外形尺寸，能對設(shè)計(jì)過程起到驗(yàn)證和指導(dǎo)的作用[17]。</p>&l

108、t;p>　　第一、絞車主要由以下主要部件組成：卷筒、傳動(dòng)軸、支撐件附件等，而每個(gè)部件又由零件及子部件組成。它的裝配層次關(guān)系可以用圖3.3.1 裝配結(jié)構(gòu)樹來表示。</p><p>　　第二、確定裝配順序：絞車按結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)主要部分，卷筒、軸和底座。因此，裝配順序?yàn)椋翰捎米缘紫蛏鲜紫劝迅鱾€(gè)零件裝配成三個(gè)獨(dú)立的模塊，卷筒部分、軸部分和底座，再把這三個(gè)部分和其它附件裝配為一個(gè)整體的絞車。如圖所示：</p&

109、gt;<p>　　圖3.3.2 圖3.3.3</p><p>　　第三、建立裝配結(jié)構(gòu)和加入部件成員并確定裝配約束：在裝配中，兩個(gè)零件建立約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)了裝配級參數(shù)化，二者之間始終保持相對位置，約束的尺寸值還可以靈活修改。約束的類型主要有：面貼合、面對齊、角度約束、平行約束、垂直約束、中心約束、距離約束、相切約束等。</p><p&

110、gt;　?。?）提升絞車的虛擬裝配</p><p>　　摩擦卷筒與內(nèi)部焊接件的裝配。裝配關(guān)系：連接關(guān)系</p><p><b>　　圖3.3.4</b></p><p>　　以摩擦卷筒為主體選擇焊接支架為裝配零件，選擇配對定位，對于復(fù)雜裝配可重沖定位再進(jìn)行位置選擇配對條件。</p><p>　　圖3.3.5 中心對齊&l

111、t;/p><p><b>　　圖3.3.6面配對</b></p><p>　　軸與卷筒安裝為一體嵌入底座中</p><p><b>　　圖3.3.7</b></p><p><b>　　圖3.3.8</b></p><p><b>　　圖3.3.9

112、</b></p><p>　　第四、為了更清楚地表現(xiàn)各個(gè)零部件裝配的先后順序，還可以建立零部件裝配的順序，并進(jìn)行動(dòng)畫演示。所建立的裝配順序如圖所示。圖為裝配時(shí)的導(dǎo)航器。</p><p><b>　　圖3.3.10</b></p><p>　　第五、為了更清楚地表現(xiàn)各個(gè)零部件間的裝配關(guān)系，還可以生成絞車的裝配體的爆炸視圖，如爆炸圖1

113、。</p><p><b>　　爆炸圖 1</b></p><p><b>　　爆炸圖 2</b></p><p><b>　　纏繞卷筒爆炸圖1</b></p><p><b>　　纏繞卷筒爆炸圖2</b></p><p><

114、b>　　總體布置圖</b></p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章從分析虛擬設(shè)計(jì)的原理、方法入手，總結(jié)了虛擬設(shè)計(jì)所應(yīng)用的建模技術(shù)、虛擬裝配關(guān)系、裝配層次等，同時(shí)討論了虛擬裝配過程中的信息交互方法，以及虛擬裝配過程及干涉檢查的具體實(shí)施方法。并把虛擬設(shè)計(jì)的建模、裝配應(yīng)用在絞車的設(shè)計(jì)中，有效的提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。&l

115、t;/p><p><b>　　4 運(yùn)動(dòng)仿真分析</b></p><p>　　4.1 UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊介紹</p><p>　　運(yùn)動(dòng)仿真是UG/CAE模塊中的主要部分，它能對任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)仿真。通過UG/Modeling的功能建立一個(gè)三維實(shí)體模型，利用UG/Motion的功能給三維實(shí)體模型的各個(gè)部件賦予一定的運(yùn)

116、動(dòng)學(xué)特性，再在各個(gè)部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系既可建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型[19]。</p><p>　　UG/Motion的功能可以對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析工作、運(yùn)動(dòng)合理性分析工作，諸如干涉檢查、軌跡包絡(luò)等，得到大量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過對這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)分析就可以驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并用動(dòng)畫來表現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程,用圖表和電子表格來反映運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果,得到精確機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),為機(jī)構(gòu)的

117、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),而且還可以利用圖形輸出各個(gè)部件的位移、坐標(biāo)、加速度、速度和力的變化情況，對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[20]。</p><p>　　UG軟件的運(yùn)動(dòng)分析模是一個(gè)模擬仿真分析的設(shè)計(jì)工具，它是ADAMS軟件的一個(gè)子集。它既能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，又能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。與傳統(tǒng)方法比較 ,U G 制作機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動(dòng)仿真較為便利 ,節(jié)省時(shí)間和物力。而且確定最佳方案之后 ,參與組合的零件模型圖可直接轉(zhuǎn)為二維生產(chǎn)圖紙或生成代碼